Книга: Коснуться невидимого, услышать неслышимое

Разрушение глубоких структур мозга

Разрушение глубоких структур мозга

Работы по применению фокусированного ультразвука для создания в глубинных структурах головного мозга разрушений заданного размера были начаты еще в начале 50-х годов в США и до настоящего времени привлекают внимание биологов, а также специалистов в области нейрофизиологии и нейрохирургии.

Создание ограниченных очагов деструкции в строго определенных зонах мозга является одним из методов изучения роли различных отделов в осуществлении связанных с их деятельностью функций. Кроме того, метод локального разрушения широко принят при исследовании структурных, нейроанатомических связей различных отделов мозга. Обычно применяемые методы разрушения включают арсенал различных повреждающих агентов: механическое разрушение или удаление участков нервной ткани, термокоагуляция, электролитическое повреждение, химические и электрохимические воздействия. Все перечисленные выше методы как непременный компонент включают травму окружающих тканей, в особенности, если речь идет не о поверхностно расположенных, а о глубинных структурах мозга, доступ к которым осуществляется обычно через ряд образований мозга.

Именно поэтому с самого начала исследований с использованием фокусированного ультразвука возможность его применения без травмы окружающих участков представлялась весьма заманчивой. Действительно, максимальная концентрация энергии в центре фокальной области сопровождается почти полным спадом ее по краям этой области. Следовательно, если выяснить минимальные повреждающие дозы облучения, можно предсказать, какие эффекты можно ожидать при больших дозах, вызывающих повреждения большего объема в пределах фокальной зоны, т. е. связать интенсивность облучения с величиной и конфигурацией разрушенного участка ткани.

Когда имеются в виду глубокие структуры организма, не отделенные от внешней среды костной тканью, то проблема воздействия фокусированным ультразвуком на такие структуры решается относительно просто. В условиях использования координатных систем точно вычисляются области и объем облученных участков ткани. Опыт такого рода оказался весьма успешным при ультразвуковом разрушении злокачественных опухолей, при облучении опухолей совместно с рентгенотерапией — с целью повышения противоопухолевой активности ионизирующих излучений и химиотерапевтических препаратов.

При рассмотрении возможностей разрушения глубоких структур мозга в первую очередь возникают проблемы различного акустического сопротивления костей черепа и тканей мозга (белое и серое вещество). Основная опасность состоит в том, что расчетные дозы облучения, равно как и само место облучения могут не соответствовать реально необходимым, поскольку высокое поглощение и расфокусировка ультразвука при прохождении через кость искажают расчеты. Именно поэтому до последнего времени принято было считать, что необходимым условием проведения ультразвуковых нейрохирургических операций является создание в черепе обширных трепанационных отверстий.

Однако специальные исследования последних лет показали, что облучение через неповрежденные кости черепа принципиально возможно без существенного искажения ультразвукового поля при соблюдении ряда условий. Одним из основных условий является облучение через участки кости, характеризующиеся равномерной толщиной и постоянным радиусом кривизны. Центр кривизны кости, через которую проводится облучение, должен совпадать с осью симметрии излучателя. Наилучшие условия создаются, если к этому добавляется расположение цели облучения в центре кривизны облучаемого участка. В одном из опытов при прохождении ультразвукового пучка в акустически прозрачной среде — воде — и через кость черепа смещения фокальной области от расчетного положения составляли величины, не превышавшие 1—1.5 мм, что вполне допустимо при нейрохирургических вмешательствах. Измерения коэффициента поглощения ультразвука в костях черепа человека при условиях, исключающих попадание воздуха в губчатый слой кости, показали величины порядка 8—10 дБ/см при частоте ультразвука 1 МГц.

В опытах на животных, когда соблюдались все условия неискаженного прохождения ультразвука, были получены локальные разрушения глубоких структур мозга, совпадающие по объему с расчетными, без изменений в тканях по ходу прохождения ультразвукового пучка. Из всего сказанного ясно, что оценить приемлемость метода ультразвуковой хирургии мозга можно лишь на основе дальнейших экспериментально-физиологических, нейроморфологических и функциональных исследований.

На сегодняшний день можно с уверенностью сказать, что исследование глубоких структур мозга с применением фокусированного ультразвука приводит к достоверным и воспроизводимым результатам лишь в том случае, если на пути фокусированного ультразвукового пучка удалена кость. Именно в таких условиях были определены значения порогов ультразвуковых доз, создающих начальные гистологически наблюдаемые изменения в центре фокальной области. Установлено, что при равных ультразвуковых дозах размеры разрушений в сером веществе головного мозга значительно меньше, чем в белом. Это определяется неодинаковой чувствительностью серого и белого веществ к воздействию ультразвуком: для серого вещества эти дозы вдвое больше, чем для белого. Различия обусловливаются, вероятно, неодинаковыми теплофизическими свойствами этих тканей. Коэффициент поглощения ультразвука в белом веществе головного мозга, например, в 1.5 раза больше, чем в сером. А это значит, что степень нагревания белого вещества и соответственно вероятность его разрушения под воздействием теплового фактора здесь существенно выше.

Согласно распространенной точке зрения, разрушающее воздействие фокусированного ультразвука определяется рядом факторов: его тепловым, механическим и физико-химическим действием, в ряде случаев, по-видимому, смешанным воздействием нескольких этих факторов, а также зависит от режима воздействия — интенсивности, длительности, частоты повторения и т. д. Выявление конкретных причин разрушающего действия фокусированного ультразвука имеет существенное значение и определенный практический интерес.

Для чисто теплового действия характерно, что разрушения соответствуют по форме и равны или меньше фокальной области. Они также должны хорошо воспроизводиться в тех структурах мозга, теплофизические свойства которых близки между собой. Механическое кавитационное действие фокусированного ультразвука, требующее значительно больших интенсивностей, вызывает разрывы в «слабых точках», распределение которых в облучаемых структурах мозга неизвестно и в определенной мере непредсказуемо даже на основании оценки структуры области. Такие механические разрушения не соответствуют форме и величине фокальной области.

Смешанное действие — тепловое и механическое, лежащее в некоторой промежуточной для этих крайних режимов области интенсивностей, — характеризуется различными особенностями структурных изменений, которые зависят от сочетания теплофизических и механических свойств тканей облучаемой области. Физико-химические явления всегда имеют место при действии фокусированного ультразвука. В настоящее время нет оснований для каких-либо заключений о физико-химических процессах, индуцируемых действием ультразвука на ткани мозга. Известно, что химические факторы, связанные с разрывом молекулярных связей, проявляются лишь при наличии в среде кавитации. Акустические микропотоки, сопровождающие распространение ультразвука, также дезорганизуют структуру клеток и представляют собой, таким образом, потенциальный фактор функционального воздействия или деструктивных изменений.

Мы обратили внимание на следующий интересный феномен: повреждающие дозы фокусированного ультразвука при оценке разрушений мозговой ткани лягушки существенно меньше при импульсном режиме облучения, чем при действии непрерывных режимов. И чем короче импульсы, тем большие дозы ультразвуковой энергии не оказывают повреждающего воздействия на ткани мозга. В опытах на лягушках нами установлены повреждающие дозы фокусированного ультразвука при использовании непрерывного ультразвукового облучения различной длительности и величины энергии импульсного ультразвука, вызывающие минимальные морфологические изменения в тканях мозга лягушки (рис. 26). Импульсный ультразвук (длительность импульсов 1 мс) даже при значительной продолжительности воздействия и высоких дозах энергии вызывает только функциональные изменения, как правило, полностью компенсируемые через различные промежутки времени. Анализ срезов мозга животных, у которых наблюдались функциональные изменения поведения, проведенный через различные сроки после облучения (от 24 до 76 ч), не выявил каких-либо морфологических изменений облученных структур мозга. В то же время значительно меньшие дозы облучения в непрерывном режиме приводили не только к изменению функции облученных структур, не компенсируемому со временем, но и к четко определяемым разрушениям структур мозга в зоне облучения.

Рис. 26. Зависимость морфологических изменений тканей головного мозга травяной лягушки от интенсивности и длительности воздействия фокусированным ультразвуком.

По оси абсцисс — время воздействия, с, по оси ординат — интенсивность ультразвука в фокальной области (осреднена по площади фокальной области), Вт/см². Светлые кружки — отсутствие видимых морфологических изменений при световой микроскопии, черные — локальные изменения в центре фокальной области, черные треугольники — очаги изменений без четких границ с расширением сосудов и кровоизлияниями, светлые — обширные диффузные изменения с кровоизлияниями и разрывами тканей. Частота фокусированного ультразвука 2.34 МГц.

Эти данные позволяют заключить, что функциональные показатели оказались значительно лучшим индикатором изменения деятельности облученных структур мозга, чем морфологические. Они дали также возможность выявить корреляции между глубиной повреждения и степенью изменения функции и, кроме того, поставить задачу выявить те особенности действия на мозг фокусированного ультразвука, которые характерны для очень малых длительностей импульсов — составляющих десятые и сотые доли миллисекунд.

Здесь представляется уместным привести некоторые аналогии, связанные с возникновением боли при разных длительностях воздействия фокусированным ультразвуком на кожу руки человека. Достаточно обоснованная экспериментальными фактами точка зрения о том, что при возникновении кавитации в тканях наступает их разрушение, привела нас к сопоставлению интенсивностей ультразвука, вызывающих кавитацию в мягких тканях пальцев и ладони, с теми интенсивностями, которые приводят к возникновению боли. Применялась акустическая аппаратура, позволяющая регистрировать субгармонические составляющие акустического шума, появляющегося в среде при развитии в ней ультразвуковой кавитации. Исходя из данных о кавитации в водных растворах, за порог возникновения кавитации условно принимали интенсивность фокусированного ультразвука, вызывающую появление импульса, величина которого на 40 дБ превышала уровень шумов специальной аппаратуры.

Оказалось, что связи между появлением кавитации и порогом ощущения боли не существует. Наиболее интересным фактом является то, что при коротких импульсах ультразвука (1 мс) болевые ощущения не возникали во всем диапазоне возможных в наших условиях интенсивностей, хотя кавитация в среде была отчетливой. Следовательно, точка зрения о том, что болевые ощущения связаны прямой и даже количественной зависимостью с величиной разрушающих воздействий, оказывается неприемлемой. Более того, необходимо иметь в виду, что укорочение длительности импульсов является перспективным путем изучения влияний фокусированного ультразвука на функции центральных мозговых структур в силу уменьшения разрушающего воздействия, связанного как с тепловым, так и с кавитационным процессами. Последние резко уменьшаются при сокращении длительности импульса.

Можно надеяться, что именно очень короткие импульсы микросекундного диапазона дадут возможность получить сведения о режимах, при которых возможно осуществлять направленное воздействие на определенные структуры мозга без структурных повреждений облученных участков. Основанием для этого служат данные, полученные при изучении различных видов чувствительности (глава 3), а также результаты изучения функциональных эффектов, возникающих при воздействии на мозг импульсным фокусированным ультразвуком, не вызывающим структурных изменений в облученных зонах.